儲罐前金屬軟管引起的盲板力分析與優化

張慶東，王以斌，趙志，陳瑞鑫

(中石油華東設計院有限公司，山東 青島 266071)

0 引言

儲罐是油庫、油田和煉油廠的附屬油庫、工廠企業的附屬油庫用來存儲液體的設備，占地面積大，投資高。按照儲罐的建筑特點，儲罐分為地上儲罐、地下儲罐、半地下儲罐和山洞罐。地上儲罐由于投資少、施工快、日常管理和維修比較方便等優點，往往作為企業的首選。

地上儲罐在罐體安裝施工完成，按照程序需進行充水沉降試驗，以確保基礎沉降在設計允許的范圍內。儲罐注水試驗應持續72 h，以保證基礎充分沉降。在儲罐使用過程中，基礎仍然會繼續下沉。為避免由于儲罐下沉導致儲罐進出口管道應力超標，地上儲罐的進出口管道，應采用柔性連接方式，并應滿足地基沉降和抗震要求[1]。

在儲罐進出口柔性設計時，一般選用金屬軟管或大拉桿橫向波紋補償器吸收因儲罐沉降等原因產生的橫向位移[2]。當進出罐管線公稱直徑小于DN400時，一般選用金屬軟管[3]。然而，金屬軟管在內壓作用下，僅能吸收很小的軸向位移；若內壓力過大，金屬軟管本身會伸長約15%[4]，其不能吸收的盲板力必然會作用到儲罐的罐嘴和主管帶上，引起罐嘴、主管帶處彎頭、三通等處應力超標、法蘭泄漏。

管道應力校核一般包括一次應力校核和二次應力校核(有臨時荷載時還要進行臨時核載應力校核)。管道承受內壓和持續荷載而產生的應力，屬于一次應力，管道承受地震荷載、水沖擊和安全閥動作沖擊等荷載而產生的應力，也屬于一次應力，但這些荷載都是屬于臨時荷載。管道由熱脹和其他位移受約束而產生的應力，屬于二次應力。通過減小管道中的二次應力的最大值，可以避免管道系統運行時發生疲勞破壞。

以往的罐區管道柔性設計，往往聚焦于主管帶由于溫度變化產生的二次應力[5]及推力，進行應力分析計算時將與金屬軟管連接的當作自由端，考察主管帶及罐前支管的二次應力狀況，致力于防止系統運行時管道發生疲勞破壞及管墩、管架受力過大，較少考慮因金屬軟管產生的盲板力對管道系統及罐嘴的影響。

在某項目進行中，設計人按照以往罐區設計經驗，對罐前管道進行配管設計，并對罐前主管帶、罐前支管及金屬軟管進行了詳細CAESAR II 建模研究，發現在管道系統設計壓力1.20 MPa/1.55 MPa 時罐前金屬軟管附近管道一次應力嚴重超標、罐嘴受力過大。采用CAESAR II 軟件詳細計算并深入分析管系應力超標原因后，通過調整罐前操作氣動閥閥門與罐根氣動閥閥門的關斷順序，降低金屬軟管附近管道系統的內壓力，解決了金屬軟管附近應力超標問題。

1 管道系統概況

1.1 管道參數

進行應力分析的罐區罐前進油工況主要有2 個，分別是：

(1) 來油流程：裝置來油→DN100 管道→罐前DN100 氣動操作閥→罐前DN250 金屬軟管→罐根DN250 氣動罐根閥→儲罐。DN100 來油管道設計壓力1.55 MPa；

(2)倒罐流程：本罐區倒罐泵來油→DN250 罐前管道→罐前DN250 氣動操作閥→罐前DN250 金屬軟管→罐根DN250 氣動罐根閥→儲罐。罐前DN250操作閥前管道設計壓力1.20 MPa。

倒罐線口徑DN250，與從裝置來DN100 管道(設計壓力1.55 MPa) 在罐前交匯，共用一路DN250 進罐管線，包括相關金屬軟管及氣動罐根閥，罐前管道正常操作壓力0.3 MPa。

根據SH/T 3007—2014 《石油化工儲運系統罐區設計規范》 5.4.3“儲存I 級和II 級毒性液體的儲罐、容量大于或等于3 000 m3的甲B 和乙A 類可燃液體儲罐、容量大于或等于10 000 m3的其他液體儲罐應設高高液位報警及聯鎖，高高液位報警應聯鎖關閉儲罐進口管道控制閥”，本罐區將進罐氣動罐根閥與儲罐高高液位聯鎖，當儲罐達到高高液位時自動關閉儲罐進罐氣動罐根閥。考慮到上述工況，將氣動罐根閥、金屬軟管、罐前氣動操作閥之間的管道系統設計壓力定為1.55 MPa。

管道系統均采用DN20 伴熱管進行熱媒水伴熱，熱媒水給水溫度95 ℃，保溫層采用硅酸鋁毯，厚度70 mm，工藝管道操作溫度15～40 ℃，設計溫度120 ℃。

DN250 倒罐線管道參數：鋼管采用無縫鋼管，材質為20 鋼，執行標準為GB/9948—2013 《石油裂化用無縫鋼管》；表號SCH20，外徑273.1 mm，壁厚6.35 mm，執行標準為SH/T 3405—2017 《石油化工鋼管尺寸系列》。裝置來DN100 管道參數：鋼管采用無縫鋼管，材質為20 鋼，執行標準為GB/9948—2013《石油裂化用無縫鋼管》；表號SCH40，外徑114.3 mm，壁厚6.02 mm，執行標準為SH/T 3405—2017 《石油化工鋼管尺寸系列》。

1.2 罐區概況

本罐區新建3 座6 500 m3罐，直徑21 m，罐壁高度19.8 m；新建1 座10 000 m3組分罐，直徑28 m，罐壁高度17.86 m。四座儲罐均為內浮頂儲罐，每座儲罐采用2 組DN50 熱媒水加熱盤管進行維溫伴熱，儲罐儲存溫度為40℃，儲罐罐頂設氮氣密封及油氣回收。

1.3 管道走向

儲罐基礎高1 000 mm；罐前主管帶采用管墩敷設，管墩高300 mm。主管帶管線2‰自罐區坡向泵區，罐前管線采用單層管架敷設，罐前管線5‰坡向主管帶，為降低罐嘴開口高度，罐前管線與主管帶之間采用45°彎頭斜向下扣向罐前主管帶。

3 個6 500 m3的儲罐(TK-607～609) 金屬軟管軸向90°指向儲罐中心布置。由于10 000 m3儲罐(TK-610)的外徑較大，為節省罐區占地面積，將其罐前金屬軟管傾斜45°布置。

2 計算軟件介紹

采用的計算軟件為CAESAR II。CAESARII 管道應力分析軟件是由美國COADE 公司研發的壓力管道應力分析專業軟件。它既可以分析計算靜態分析，也可進行動態分析。

CAESAR II 計算結果由三種應力類型：SUS 代表冷態，一般指安裝狀態，可用于考察一次應力；OPE代表熱態，一般指工作狀態；EXP 表示純熱態，包括溫度和附加位移，可用于考察二次應力。

盲板力屬于一次應力，可通過考察CAESAR II計算報告中SUS 工況的計算結果進行分析。

3 計算模型設置及計算結果

罐嘴節點6300 代表為TK607～609 罐的罐嘴，節點6100 處設置罐前管架支撐，節點6020 為罐前支管扣向主管帶的45°彎頭。罐嘴節點7280 為TK610罐的罐嘴，節點7110 為罐前45°彎頭，節點7010 為罐前支管扣向主管帶的45°彎頭。

模型中位各罐嘴節點設置向下50 mm 的偏移，用于模擬儲罐的沉降。

另外在罐根閥附近設置了生根于儲罐基礎的豎直向上的罐前支撐。

根據以往設計經驗，考慮到導致罐前一次應力、推力過大的原因是金屬軟管產生的盲板力引起的，從防止管道一次應力超標和罐嘴處推力過大出發，設置以下四種方案。

3.1 方案一

工藝流程控制設計：裝置來油工況下儲罐高高液位聯鎖時關閉氣動罐根閥，則DN250 罐前氣動操作閥前面(順介質流向) 最大操作壓力為1.20 MPa，DN250 操作閥后(靠近罐側)最大操作壓力1.55 MPa；罐前管架不設置任何止推措施。

CAESARII 模型具體設置：氣動罐根閥、金屬軟管、罐前氣動操作閥之間的管道系統Pressure 1 定為1.55 MPa；DN250 罐前氣動操作閥前Pressure 1 定為1.20 MPa。

計算結果：計算完成后，在CAESAR II 軟件靜力計算結果菜單(Static Output Processor)中，選擇Load Cases Analyzed 下的(SUS)W+P1+F1，Report Options中的Stresses，然后選擇Options 菜單中的View Reports，查看SUS 工況下的計算結果，發現：金屬軟管軸向指向罐中心的配管方案，罐嘴節點6300 處受到的推力為88 770 N，力矩118 N·m；金屬軟管45°安裝的配管方案，罐嘴節點7280 受推力144 370 N，力矩46 089 N·m。節點6100 處一次應力值為9 194.6 kPa，規范允許應力值為137 000 kPa，占規范允許應力值的6.7%；節點6020 處一次應力值為412 950.2 kPa，規范允許應力值為137 000 kPa，占規范允許應力值301.4%；節點7010 處一次應力值為460 886.8 kPa，規范允許應力值為137 000 kPa，占規范允許應力值336.4%；節點7110 處一次應力值為234 598.6 kPa，規范允許應力值為137 000 kPa，占規范允許應力值171.2%。

由以上分析可得出：由于設計內壓力高引起的內壓盲板力較大，導致罐前主管帶與進罐分支管道處一次應力超標；罐嘴處受推力過大。同時，45°安裝的金屬軟管附近管道一次應力超標，而軸向指向罐中心的金屬軟管附近管道一次應力則在許可范圍內。

3.2 方案二

為抵消盲板力對罐前主管帶的推力，考慮在金屬軟管兩側管道上設置止推。由于防沉降要求，與罐嘴直接相連接的氣動罐根閥處管道支架需生根在儲罐基礎上，由此導致此支架無法承受較大水平推力，因此本方案僅能在罐前氣動操作閥前管架上設置止推，無法在金屬軟管靠近儲罐一側設置止推。

工藝流程控制設計：裝置來油工況下儲罐高高液位聯鎖時關閉氣動罐根閥，則DN250 罐前氣動操作閥前面(順介質流向)最大操作壓力為1.20 MPa，DN250 操作閥后(靠近罐側)最大操作壓力1.55 MPa。

配管設計：罐前氣動操作閥前管架設置指向儲罐的單向止推。

CAESARII 模型具體設置：氣動罐根閥、金屬軟管、罐前氣動操作閥之間的管道系統Pressure 1 定為1.55 MPa；DN250 罐前氣動操作閥前Pressure 1 定為1.20 MPa。罐前氣動操作閥前管架設置指向儲罐的單向止推，即節點6100 處設置指向儲罐中心的單向止推。

從評價結果可見(表2、圖2)，研究時段內張家界市世界地質公園人均生態足跡呈增長的趨勢。2005年該公園人均生態足跡為0.9665，2015年人均生態足跡為1.2047，年均增長率為1.48%。根據武陵源區提供的同期統計數據顯示，全區近年來形成了以地質旅游業為支柱的產業，全區經濟增長保持了強勁的發展勢頭，武陵源區GDP從2005年的9.60億元增長為2015年的52.60億元。因此公園人均生態足跡的增長趨勢與武陵源區該時段內經濟社會發展趨勢呈正相關關系，符合經濟增長對區域消費需求增長的客觀實際。

計算結果：SUS 工況下，罐嘴節點6300 處受到的推力為87 434 N，力矩698 N·m；節點6100 處一次應力值為23 197.2 kPa，規范允許應力值為137 000 kPa，占規范允許應力值的16.9%；主管帶處節點6020 處處一次應力值為18 394.2 kPa，規范允許應力值為137 000 kPa，占規范允許應力值13.4%。

由以上分析可得出：單向止推的存在可以極大減小罐前主管帶附近所受內壓推力，降低管道系統的一次應力。由于金屬軟管靠近儲罐一側受限沒有條件設置止推，無法采用止推減小罐嘴受力及一次應力超標問題。

3.3 方案三

考慮到內壓產生的盲板力是導致罐嘴受力過大、罐前管道一次應力超標的決定性因素，結合工藝流程控制方案，擬通過采取調整罐前關閥順序、降低金屬軟管附近管道系統內壓力的措施來解決相關問題。

工藝流程控制設計：儲罐高高液位聯鎖時先關閉相應儲罐所有罐前氣動操作閥，待罐前氣動操作閥關閉后，再關閉氣動罐根閥，此過程總關閉時間不超過3 分鐘。罐前氣動操作閥返回關到位信號，觸發相應儲罐進罐氣動罐根閥關閉；如操作閥關閉時間+10 s后操作閥未返回關到位信號，自動關閉進罐氣動罐根閥。按照以上閥門關閉順序，倒罐泵罐前氣動操作閥前最大操作壓力為1.20 MPa，操作閥至氣動罐根閥之間管道系統的最大操作壓力為儲罐最高靜液位產生的壓力，取保守值0.3 MPa。

配管設計：無特殊考慮。

CAESARII 模型具體設置：氣動罐根閥、金屬軟管、罐前氣動操作閥之間的管道系統Pressure 1 定為0.3 MPa；DN250 罐前氣動操作閥前Pressure 1 定為1.20 MPa。

計算結果：SUS 工況下，罐嘴節點6300 處受到的推力為16 229 N，力矩135 N·m；罐嘴節點7280 受推力26 452 N，力矩7 700 N·m。節點6100 處一次應力值為8 255.5 kPa，規范允許應力值為137 000 kPa，占規范允許應力值的6.0%；主管帶處節點6020 處一次應力值為65 864.8 kPa，規范允許應力值為137 000 kPa，占規范允許應力值48.1%。節點7010 處一次應力值為99 633.5 kPa，規范允許應力值為137 000 kPa，占規范允許應力值72.7%；節點7110 處一次應力值為42 068.3 kPa，規范允許應力值為137 000 kPa，占規范允許應力值30.7%。

以上分析可得出：通過調整罐前氣動操作閥及氣動罐根閥的關閉順序，降低金屬軟管處管道系統的內壓力，可以極大減小管道系統的一次應力，極大減小罐嘴處所受推力。

3.4 方案四

由于方案三種節點6020 處一次應較高，擬在方案三的工藝流程控制設計的基礎上，在配管時增設止推，進一步減小盲板力的影響。

工藝流程控制設計：同方案三。

配管設計：罐前氣動操作閥前管架設置指向儲罐的單向止推。

模型設置：氣動罐根閥、金屬軟管、罐前氣動操作閥之間的管道系統Pressure 1 定為0.3 MPa；DN250罐前氣動操作閥前Pressure 1 定為1.20 MPa。罐前氣動操作閥前管架設置指向儲罐的單向止推，即節點6100 處設置指向儲罐中心的單向止推。

計算結果：SUS 工況下，主管帶處節點6020 處一次應力值為18 597.4 kPa，規范允許應力值為137 000 kPa，占規范允許應力值13.57%。與方案三相比，6020 節點處的一次應力大幅降低。

4 結語

文章研究了罐前金屬軟管附近管道系統在不同內壓力、不同金屬軟管安裝角度下內壓盲板力對罐前管帶一次應力及罐嘴推力的影響，得到如下結論：

(1)將進罐操作閥設為自動閥，并將高液位聯鎖關閥命令聯鎖到操作閥及氣動罐根閥，待所有操作閥完全關閉后，再關閉氣動罐根閥，由此可可有效降低金屬軟管附近管道系統的內壓力，避免因單獨關閉氣動罐根閥引起金屬軟管處內壓力過大，導致罐前管帶一次應力超標及罐嘴推力過大。

(2)如(1)不具備條件實施，建議采用橫向大拉桿橫向波紋補償器代替金屬軟管，以避免內壓盲板力的產生。

(3)罐前采用金屬軟管時，建議金屬軟管與主管帶之間的管架設置止推，以減小主管帶所受盲板力及一次應力；同時建議校核罐嘴受力是否在允許范圍內。

(4) 金屬軟管45°安裝的布置方案，會在罐嘴附近引起較大彎矩，導致罐嘴處管子一次應力超標，建議盡量避免此種安裝方式。